THD pārslodze: Kā harmoniskie spēki iznīcina enerģijas aprīkojumu

Kad faktiskais tīkla THD pārsniedz robežas (piemēram, sprieguma THDv > 5%, strāvas THDi > 10%), tas rada organisko kaitējumu aprīkojumam visā enerģijas ķēdē — Pārnesums → Izplatīšana → Ražošana → Kontrole → Patēriņš. Galvenie mehānismi ir papildu zaudējumi, rezonanses pārstrāva, momenta svārstības un mērījumu deformācija. Kaitējuma mehānismi un manifestācijas būtiski atšķiras atkarībā no aprīkojuma veida, kā detālāk izskaidrots tālāk:

1. Pārnesuma aprīkojums: Pārmātums, novecošana un drastiska dzīves ilguma samazināšanās

Pārnesuma aprīkojums tieši nodzen tīkla strāvu/spriegumu. Harmoniskie skābekļi pasliktina enerģijas zaudējumus un izolācijas degenerāciju. Galvenie ietekmētie komponenti ir pārnesuma līnijas (kabēles/uguns) un strāvas transformatoru (CT).

1.1 Pārnesuma līnijas (Kabēles / Uguns)

• Kaitējuma mehānisms: Augstākas harmoniskās frekvences pastiprina "ādas efektu" (augstfrekvences strāvas koncentrējas vedņa virsgrupā, samazinot efektīvo priekšmetu sekcijas laukumu), palielinot līnijas pretestību. Papildu vaļšmeta zaudējumi pieauga ar harmoniskās rindas kvadrātu (piemēram, 5. harmoniskās vaļšmeta zaudējumi ir 25× fundamentālākie).

• Konkrēti kaitējumi:

• Pārmātums: THDi = 10% apstākļos, vaļšmeta zaudējumi palielinās par 20%-30% salīdzinājumā ar nominālo stāvokli. Kabēles temperatūra var paaugstināties no 70°C līdz 90°C (pārsniedzot izolācijas toleranci), paātrinot izolācijas slāņu (piemēram, XLPE) novecošanos un sasilšanu.

• Samazinātais dzīves ilgums: Ilgstošs pārmātums samazina kabēlu dzīves ilgumu no 30 gadiem līdz 15–20 gadiem, potenciāli izraisot "izolācijas sabrukumu" un īsceļa trūkumus. (Rūpnieciskā teritorijā divas 10kV kabēles sasilās vienā gadā dēļ pārmērīga 3. harmoniska, remonts maksāja vairāk nekā 800 000 RMB.)

1.2 Strāvas transformatori (CT)

• Kaitējuma mehānisms: Harmoniskās strāvas (jo īpaši 3. un 5.) rada CT dzelzs kodolu "momentāno saturošanos", šķīdinājus histerēzes un cirkulāras strāvas zaudējumus (papildu dzelzs zaudējumi). Saturošanās deformē otrās puses izvades formas, nepiedāvājot precīzu primārās strāvas attēlojumu.

• Konkrēti kaitējumi:

• Kodola pārmātums: CT kodola temperatūra var pārsniedzēt 120°C, degenerējot izolāciju sekundārajās uzplūsmās un izraisojot attiecības neprecizitāti.

• Aizsardzības nepareiza darbība: Deformētā sekundārā strāva noved pie aizsardzības releju (piemēram, pārstrāvas aizsardzība) nepareiziem "līnijas īsceļa" uztverumiem, izraisot nepareizu triecienus. (Izplatīšanas tīklā notika 10 līniju triecieni dēļ CT saturošanās, ietekmējot 20 000 namu.)

2. Izplatīšanas aprīkojums: Bieži notiekoši trūkumi, sistēmas stabilitātes sabrukums

Izplatīšanas aprīkojums ir kritisks "savienojumam augšup un lejup" tīklā. THD pārsniedzot robežas, notiek tiešākais kaitējums. Galvenie ietekmētie ierīces ietver enerģijas transformatorus, kondensatoru bankas un reaktorus.

2.1 Enerģijas transformatori (Izplatīšanas / Galvenie transformatori)

• Kaitējuma mehānisms: Harmoniskie spriegumi palielinās transformatoru kodolu magnētisko histerēzes un cirkulāras strāvas zaudējumus (papildu dzelzs zaudējumi); harmoniskās strāvas palielinās uzplūsmu vaļšmeta zaudējumus. Kopā tie būtiski paaugstinās kopējos zaudējumus. Nesaskaņota trīs fāžu harmonika arī palielina neitrālo strāvu (līdz 1,5× fāzes strāvai), pasliktinot vietējo pārmātumu.

• Konkrēti kaitējumi:

• Kodola pārmātums: THDv = 8% apstākļos, transformatoru dzelzs zaudējumi palielinās par 15%-20%. Kodola temperatūra paaugstinās no 100°C līdz 120°C, paātrinot izolācijas eļļas (piemēram, 25# transformatoru eļļa) degradāciju, palielinot to asiditāti un samazinot dielektrikas stiprumu.

• Uzplūsmu sasilšana: Ilgstošs pārmātums karbonizē uzplūsmu izolācijas papīru (piemēram, Nomex), izraisojot īsceļus. Apvedceltēs 110kV galvenajā transformatorā pēc 3 gadiem notika uzplūsmu īsceļš dēļ pārmērīga 5. harmoniska, remonta izmaksas pārsniedza 5 miljonus RMB.

• Samazinātais dzīves ilgums: Ilgs termiņā THD pārsniedzot robežas, transformatoru dzīves ilgums samazinās no 20 gadiem līdz 10–12 gadiem.

2.2 Paralēlas kondensatoru bankas (reaktīvās jaudas kompensācijai)

• Kaitējuma mehānisms: Kapacitatīvā pretestība samazinās ar frekvenci (Xc = 1/(2πfC)), tāpēc augstfrekvences harmonikas izraisa pārstrāvu. Ja kondensatori veido "harmonisku rezonansi" ar tīkla induktīvību (piemēram, 5. rindas rezonansi), strāva var palielināties līdz 3–5× nominālajam vērtībai — daudz pārsniedzot kondensatoru ratingus.

• Konkrēti kaitējumi:

• Izolācijas sabrukums: Pārstrāva sasilā internās dielektrikas (piemēram, polipropilēna filma), izraisojot pieturēšanu, izliekumu vai pat eksploziju. (Rūpnieciskā darbnīcā trīs 10kV kondensatoru bankas sasilā vienā mēnesī dēļ 7. harmoniska rezonances; aizstāšanas izmaksas par katru banku pārsniedza 150 000 RMB.)

• Aizsardzības neveiksme: Rezonanses strāvas degenerē plūsmu saites; ja aizsardzība nedarbojas, ugunsgrēka risks palielinās.

2.3 Sērijas reaktori (harmonisko skābekļu apstrādei)

• Kaitējuma mehānisms: Lai gan tie tiek izmantoti, lai apstrādātu noteiktus harmoniskos skābekļus (piemēram, 3. un 5.), reaktori ilgstoši izjūt papildu uzplūsmu vaļšmeta zaudējumus. Harmoniskie magnētiskie lauki arī intensificē kodola vibrāciju, izraisojot mehānisko izsmalcināšanos.

Konkrētas kaitējumi:

• Vijoles pārsildīšanās: Ja THDi = 12%, reaktora meda zaudējumi palielinās vairāk par 30%; vijoles temperatūra pārsniedz 110°C, izraisot izolācijas lakas ugunsdzīvību un atdalīšanos.

• Dziļuma troksnis un noderīguma samazināšanās: Vibrāciju frekvence savienojas ar harmoniskajiem, radot stipru troksni (>85 dB). Ilgtermiņa vibrācija sasliek silīcijstāļa plāksnes, samazinot caurspēju un padarot harmoniskās komponentes apstrādi neefektīvu.

3. Ģenerējošā aprīkojuma ierobežojumi, drošības risku palielināšanās

Ģenerējošais aprīkojums ir tīkla "enerģijas avots". Pārāk liels THD negatīvi ietekmē darbības stabilitāti. Galvenie ietekmētie ierīces: sinhronie ģeneratori, atjaunojamās enerģijas invertori (PV/vēja).

3.1 Sinhronie ģeneratori (termo/hidroelektrostacijas)

• Kaitēšanas mehānisma darbība: Tīkla harmoniskās komponentes atgriežas ģeneratora statora vijolēs, veidojot "harmonisku elektromagnētisko momentu." Pievienojoties pamatmomentam, tas veido "pulsējošu momentu," kas palielina vibrāciju. Harmoniskie strāvas plūsmas arī palielinās statora meda zaudējumus, izraisojot vietējo pārsildīšanos.

• Konkrētas kaitējumu dēļ:

• Izdošanas samazināšanās: 300MW vienībai ar THDv = 6% notiek ±0.5% rotācijas ātruma svārstības dēļ pulsējoša momenta, samazinot izdošanu zem 280MW, samazinot efektivitāti par 5%-8%.

• Vijoles pārsildīšanās: Statora temperatūra var sasniedzt 130°C (pārsniedzot A klases izolācijas robežu 105°C), paātrinot izolācijas novecošanu un risku starp virzieniem esošajiem īsām slēgumiem.

• Rulliņu noderīguma samazināšanās: Palielināta vibrācija paātrina rulliņu (piemēram, guļveida rulliņu) noderīguma samazināšanos, samazinot to mūžu no 5 gadiem līdz 2–3 gadiem.

3.2 Atjaunojamās enerģijas invertori (PV / Vēja)

• Kaitēšanas mehānisma darbība: Invertori ir jūtīgi pret tīkla THD (saskaņā ar GB/T 19964-2012). Ja pievienošanas punkta THDv > 5%, invertors aktivizē "harmoniskās aizsardzības" lai izvairītos no kaitējumiem. Papildus tam, harmoniskā sprieguma izraisa enerģijas neatbilstību starp DC un AC pusēm, izraisojot IGBT moduļu pārsildīšanos.

• Konkrētas kaitējumu dēļ:

• Tīkla atvienošanās: Vēja parkā ar THDv = 7% 20 vienības 1.5MW invertori atvienojās vienlaikus, atstājot vēja enerģijas daudzumu pāri 100 000 kWh vienā dienā, izraisot aptuveni 50 000 RMB zaudējumus.

• IGBT degšana: Ilgtērminā darbībā harmoniskās komponentes palielinās IGBT moduļu (galvenā komponente) pārslodzes, paaugstinot temperatūru virs 150°C, riskējot ar "termisko sabojāšanos." Katra invertora remonts pārsniedz 100 000 RMB.

4. Kontrolējošā aprīkojuma kropļojumi, sistēmas traucējumi

Kontrolējošais aprīkojums darbojas kā tīkla "smadzenes un nervu sistēma". Pārāk liels THD izraisa kropļotas datu uzmetumu un neierobežotu komandu pārraidīšanu. Galvenie ietekmētie ierīces: aizsardzības releji, automatizētās saziņas sistēmas.

4.1 Aizsardzības releji (pārstrāvas / diferenciālā aizsardzība)

• Kaitēšanas mehānisma darbība: Harmoniskās strāvas izraisa pagaidu CT satura saturēšanos, kropļojot uzmetumu strāvas formas (piemēram, platvirsmas formas), izraisojot aizsardzības algoritmu nepareizu amplitūdas un fāzes novērtējumu, izraisojot nepareizas darbības. Harmoniskās sprieguma var arī traucēt releju enerģijas avotiem, izraisojot loģikas shēmu trūkumu.

• Konkrētas kaitējumu dēļ:

• Nepareiza trieciena aktivizācija: Elektrotīklā ar THDi = 12% notika kropļots CT izvade dēļ saturēšanas, izraisojot pārstrāvas aizsardzību nepareizi detektēt "līnijas īsu slēgumu" un triecienu 10 nodotājos, pārtraucot enerģijas piegādi 20 000 ģimenēm 4 stundas, izraisot netiešus ekonomiskos zaudējumus, kas pārsniedz 2 miljonus RMB.

• Neaktivizācija: Ja harmoniskās komponentes izraisa ±10% sprieguma svārstības releja enerģijas avotā, loģikas shēma var sabojāties, neaktivizējot patiesās kļūdas laikā, ļaujot kļūdai palielināties.

4.2 Automatizēto saziņas ierīču (RS485 / šķidruma moduli)

• Kaitēšanas mehānisma darbība: Harmoniskās komponentes elektromagnētiskā radiācija (piemēram, 10V/m RF traucējums) savienojas ar saziņas līnijām, izraisojot "bitu pārslodzes" datu pārraidīšanā. Harmoniskās sprieguma arī traucē pulsu moduļus, palielinot sinhronizācijas kļūdas.

• Konkrētas kaitējumu dēļ:

• Palielināts bitu kļūdu koeficients: Dēļ harmoniskās komponentes RS485 saziņas bitu kļūdu koeficients distribūcijas automātizācijas sistēmā palielinās no 10⁻⁶ līdz 10⁻³, aizkavējot vai zaudējot pārraidītās komandas (piemēram, "regulēt kondensatoru pārslodzi").

• Moduļu degšana: Augstfrekvences harmoniskās komponentes var bojāt signālu izolācijas shēmas (piemēram, optokoplas) saziņas moduļos, izraisojot to nekonkurences. Viens transformatoris iznīcināja 8 šķidruma moduļus mēneša laikā dēļ 5. harmoniskās komponentes traucējuma.

5. Galvenā aprīkojuma veiktspējas samazināšanās, ražošanas incidenti

Galvenais aprīkojums pārstāv tīkla "terminālo ieplūdumu". Industriālais un precīzais aprīkojums cieš visvairāk no pārāk liela THD. Galvenie ietekmētie ierīces: industriālie dzinēji, precīzs aprīkojums (litogrāfijas mašīnas/medicīnas MRI).

5.1 Rūpnieciskie dzinēji (indukcijas / sinhronie dzinēji)

• Bojājuma mehānisms: Harmoniskais spriegums ģenerē "harmoniskus strāvas" dzinēja statora vīkļos, veidojot "negatīvo sekvenču rotējošos magnetlaukus." Kad tie tiek pārklāti ar pamatlauku, tie rada "brīdināšanas momentu," kas izraisa ātruma svārstības un pieaugošu vibrāciju. Harmoniskās strāvas arī palielina statora/rotora miedzgabēju zudējumus, izraisojot kopēju pārsildīšanos.

• Konkrētie bojājumi:

• Efektivitātes kritums: 100 kW indukcijas dzinējs ar THDv = 7% redz efektivitātes kritumu no 92% līdz zemāk par 85%, patērējot papildus vairāk nekā 50 000 kWh gadā (pie 0,6 juaņu/kWh, papildus elektrības izmaksas: 30 000 juaņi/gads).

• Izblāvots: Metālrūpnīcas valkņošanas dzinējs divreiz izblāvots sešos mēnešos dēļ ilgstoša 7. harmoniska ietekmes; statora temperatūra sasniedza 140°C. Aizstāšanas izmaksas par katru dzinēju pārsniedza 2 miljonus RMB.

• Vibrācija & troksnis: Dzinēja vibrācijas paātrinājums palielinājās no 0,1g līdz 0,5g, troksnis pārsniedza 90dB, ietekmējot darba vidi un paātrinot fundamenta noliekošanos.

5.2 Precīzā aprīkojuma (poluprovadītāju fotogrāfēšanas mašīnas / medicīnas MRI)

• Bojājuma mehānisms: Šiem ierīcēm ir nepieciešams ļoti tīrs spriegums (THDv ≤ 2%). Harmoniskie palielinās iekšējos elektroapgādes plūsmu un samazina ADC mērījumu precizitāti, galu galā ievainojot funkcionalitāti.

• Konkrētie bojājumi:

• Precizitātes zudums: Poluprovadītāju fotogrāfēšanas mašīna ar THDv = 4% redzēja lazeru pozicionēšanas precizitātes kritumu no 0,1μm līdz 0,3μm, samazinot šķidruma produkcijas daudzumu no 95% līdz 80%, zaudējot vairāk nekā 500 000 juaņu ražošanas vērtībā dienā.

• Aprīkojuma apstāšanās: Harmoniskie izraisīja strāvas svārstības MRI gradientu spēlēs, nepiedāvājot skaidru attēlu, izsaucot apstāšanos. (Slimnīca apturēja MRI operācijas divas dienas dēļ 3. harmoniska pārsnieguma, zaudējot vairāk nekā 100 000 juaņu diagnosticēšanas ieņēmumos.)

Kopsavilkums: THD izraisīto ierīču bojājumu galvenie noteikumi

• Induktīvais aprīkojums (transformatori, dzinēji, reaktori): Jūtīgs pret "papildu zudējumiem" — harmoniskie palielinā miedzgabēju un dzelzs zudējumus, ar pārsildīšanos un novecošanu kā galvenajiem bojājumiem.

• Kapacitatīvais aprīkojums (kapacitori): Jūtīgs pret "rezonanses pārstrāvu" — harmoniskie viegli izraisī rezonanci, ar pārstrāvas izraisītu izolācijas sabojājumu kā galveno bojājumu.

• Kontroles aprīkojums (relēji, saziņas sistēmas): Jūtīgs pret "mērījumu deformāciju" — harmoniskie deformē datus, izraisojot nepareizu darbību vai neveiksmīgu darbību.

• Precīzais aprīkojums (fotogrāfēšanas mašīnas, MRI): Jūtīgs pret "sprieguma formas deformāciju" — harmoniskie palielinā sprieguma plūsmu, izraisojot precizitātes zudumu.

Tādēļ, elektrotīkliem jāpielieto divkārša stratēģija:
"Harmonisku monitorings (kontrolējot THD mērījuma kļūdu ≤ ±0,5%) + Aktīva filtrācija (APF) / Pasīva filtrācija"
lai uzturētu THDv robežās, kas noteiktas valsts standartā 5%, tādējādi novēršot ierīču bojājumus avota līmenī.